文 鋼 李志文 劉 波

(1.海裝重慶局 重慶 400042)(2.重慶前衛(wèi)科技集團有限公司 重慶 401121)

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一種用于慣導系統(tǒng)車載試驗的速度基準系統(tǒng)*

文 鋼1李志文2劉 波2

(1.海裝重慶局 重慶 400042)(2.重慶前衛(wèi)科技集團有限公司 重慶 401121)

介紹了一種自行研制的用于捷聯慣導車載試驗的速度基準系統(tǒng)。該系統(tǒng)由衛(wèi)星導航裝置、車速采集裝置和主控計算機組成,能夠實時輸出滿足一定精度要求的速度數據,可作為捷聯慣導跑車試驗中的速度基準,用以模擬其它測速設備的輸出。經過實際車載試驗驗證,該基準系統(tǒng)組成簡單,功耗、體積、重量和速度精度滿足捷聯慣導車載試驗要求,能夠做到在無衛(wèi)星導航信息條件下,模擬實現組合導航系統(tǒng)的測速功能。

捷聯慣導; 組合導航; 車載試驗; 速度基準系統(tǒng)

Class Number U674.7

1 引言

應用于水中的捷聯慣導,往往采用和水中測速設備(如水聲測速設備、槳速監(jiān)測設備或流速監(jiān)測設備)相結合的組合導航方式,以提高其長時間導航精度[1～4]。在研制過程中,為了驗證捷聯慣導系統(tǒng)和其他導航輔助設備的組合導航性能,需要做大量試驗。從控制試驗成本和縮短研制周期方面考慮,可用車載試驗[5～6]代替部分水中試驗。車載試驗中使用的試驗車,需要配置定位、姿態(tài)、速度等導航信息基準系統(tǒng),本文介紹一種自行研制開發(fā)的速度基準系統(tǒng),該基準系統(tǒng)以車速作為輔助設備的輸出,模擬水中多普勒計程儀輸出,實現類似捷聯慣導系統(tǒng)結合多普勒計程儀的組合導航方式和效果。

2 組合導航基本原理

將慣導系統(tǒng)的輸出信號與其他導航輔助設備的獨立測量結果進行比較,根據比較結果校正慣導系統(tǒng)的輸出,獲得比單獨使用慣導系統(tǒng)更好的導航性能,這種系統(tǒng)稱為組合導航系統(tǒng)。

組合導航系統(tǒng)的導航輔助設備中,較普遍使用的輔助設備有:GPS、星體跟蹤器、數字地圖、磁傳感器、雷達成像系統(tǒng)等。而在使用捷聯慣導的水中組合導航系統(tǒng)使用較多的輔助設備是提供實時速度測量結果的多普勒計程儀。

圖1給出了典型的組合導航系統(tǒng)基本工作原理。組合導航算法主要應用卡爾曼濾波技術,對輔助設備的傳感器輸出應用卡爾曼濾波方法進處理,得出慣性導航位置、速度、姿態(tài)以及其他參數的最優(yōu)估計值,由最優(yōu)估計值作為校正后的慣性導航系統(tǒng)輸出。圖中虛線表示該數據流在某些導航系統(tǒng)中不存在。

圖1 組合導航系統(tǒng)基本工作原理圖

3 系統(tǒng)設計

3.1 需求分析

本文研制的速度基準系統(tǒng),主要實現兩個功能: 1) 提供一個可用于比較的速度基準; 2) 模擬實現水中組合導航系統(tǒng)的測速設備功能。

設計該基準系統(tǒng)時,主要考慮以下因素:

1) 為方便在試驗用機動車上使用,系統(tǒng)的功耗、體積、重量都不能過大;

2) 考慮到試驗車行駛在規(guī)劃線路過程中的一些實際情況,如經過隧道、峽谷等無法接收衛(wèi)星導航信息的環(huán)境,系統(tǒng)必須能在這些環(huán)境下正常工作;

3) 根據應用于水中的捷聯慣導系統(tǒng)[7～8]實際要求,數據更新間隔滿足秒級、速度精度滿足厘米每秒級即可。

因此,該基準系統(tǒng)主要技術難點在于無衛(wèi)星導航信息時,如何提供符合精度要求的速度基準數據。

3.2 基準系統(tǒng)組成

基準系統(tǒng)主要由衛(wèi)星導航裝置、車速采集裝置及其軟件、主控計算機及其軟件等三部分構成。其中車速采集裝置及其軟件、主控計算機軟件為自行研制,其它采購自市場中成熟產品。

圖2 速度基準系統(tǒng)組成示意圖

車速采集裝置由自制電路板及其配套軟件組成。電路的核心處理器件采用ATMEL公司的AT89C51信號單片機。

主控計算機選用Lenovo公司的昭陽E46A型號筆記本計算機。安裝WindowsXP操作系統(tǒng),運行的主控軟件用VC++6.0開發(fā)。

衛(wèi)星定位裝置選用星網宇達公司的XW-3661。其單點定位精度達到1.8m RMS,速度精度達到0.02m/s,數據更新間隔最小可設置為100ms,發(fā)送標準＄GPGGA,＄GPVTG幀頭報文。該定位裝置由天線、電纜、接收機三部分組成。

工作時采用不間斷電源給系統(tǒng)供電,系統(tǒng)各部分電路連接方式如圖3所示。

圖3 車載速度基準系統(tǒng)各部分電路連接示意圖

3.3 工作原理

用衛(wèi)星定位裝置接收衛(wèi)星導航信息,輔以監(jiān)測試驗車車輪轉動獲得速度信息,應用數據融合技術實現全地形工作。其流程如圖4所示。

圖4 速度基準獲取原理圖

3.3.1 車速采集

車速采集裝置檢測試驗機動車車輪轉動形成的脈沖信號,采集兩次脈沖信號間的時間間隔,通過串口發(fā)送給主控計算機。這些脈沖信號來自試驗車車輪上的霍爾器件。記下連續(xù)兩次脈沖信號間的時間間隔,實際上就是記錄了車輪轉過一圈的時間。

主控計算機獲得脈沖間隔時間后,帶入以下公式計算出車速:

(1)

式中:V為車速,單位是km/h;Thi為脈沖寬度,常量,單位是0.1ms;T為脈沖間隔時間,單位是ms。

這里需要說明的是,試驗車型不同,計算車速的公式可能不同。

3.3.2 數據融合

利用數據融合[9～10]技術對按時序獲得的觀測信號,按照一定準則進行自動分析、綜合,以完成系統(tǒng)要求的決策任務。

該基準系統(tǒng)應用數據融合技術實現以下功能:

1) 用衛(wèi)星導航速度標定車速;

2) 用車速剔除衛(wèi)星導航的跳點數據;

3) 在衛(wèi)星導航速度無法獲得時,輸出標定后的車速;

4) 轉彎時,由于衛(wèi)星導航速度實時性不足,系統(tǒng)輸出標定后的車速。

4 系統(tǒng)樣機試驗結果

4.1 功耗、重量和體積

系統(tǒng)樣機組成部分的功耗、重量、體積如表1所示。

表1 系統(tǒng)組成部分功耗、重量、體積統(tǒng)計表

表1給出的測試結果表明,樣機完全適用于車載方式。

4.2 速度精度

在正常無遮擋環(huán)境下,該基準系統(tǒng)能接收到衛(wèi)星導航信息,性能主要由衛(wèi)星導航裝置決定。針對無法接收衛(wèi)星導航信息的情況,設計了以下步驟的實驗來驗證系統(tǒng)樣機精度:

1) 斷開衛(wèi)星導航裝置和主控計算機間的物理連接,使主控計算機無法接收衛(wèi)星導航信息;

2) 系統(tǒng)一直工作在無衛(wèi)星導航信息的狀態(tài)。然后,用另一臺計算機同步實時記錄衛(wèi)星導航裝置和速度基準系統(tǒng)輸出;

3) 實驗結束后,用衛(wèi)星導航裝置輸出的定位數據計算航程和平均速度,將計算結果作為基準和系統(tǒng)車速采集裝置在該段時間內輸出的平均速度做比較。

實際車載試驗共進行了6次,試驗測試結果見表2。表中基準值是衛(wèi)星導航數據計算的速度值,與系統(tǒng)樣機的速度采集輸出值的差值滿足設計的厘米每秒的精度要求。

表2 車載試驗速度測試結果

試驗中,記錄的系統(tǒng)輸出數據更新間隔如圖5所示,平均更新間隔1s,最大1.001s,最小0.9984s。

圖5 試驗中速度基準系統(tǒng)數據更新間隔

使用本系統(tǒng)提供的速度數據,做一個時間同步,再引入一些特定特征量,即可模擬其他水中速度測試設備,從而實現車載試驗對水中試驗的模擬。圖6為某次實際試驗中模擬多普勒計程儀速度輸出的數據曲線。

圖6 模擬多普勒計程儀速度輸出數據曲線圖

5 結語

本文研制開發(fā)的車載速度基準系統(tǒng),組成簡單,功耗、體積、重量和精度等都滿足車載試驗要求。系統(tǒng)樣機經過實際使用驗證,工作可靠,能夠滿足水下捷聯慣導研制過程中的車載試驗需求。使用該車載速度基準系統(tǒng)作為輔助測速設備,一方面可以降低水下捷聯慣導的研制成本,另一方面能有效縮短研制周期,有很高的實用價值。該系統(tǒng)具有良好擴展性,可結合實際應用需要,進一步擴展完善。

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A Kind of Speed Reference System for INS Vehicle-Carried Test

WEN Gang1LI Zhiwen2LIU Bo2

(1. Representative Bureau of Naval Equipment Department in Chongqing, Chongqing 400042) (2. Chongqing QianWei Tech ltd, Chongqing 401121)

This paper introduces a kind of speed reference system, which is used for SINS’ vehicle-carried test. This system is composed of GNSS, vehicle speed acquisition instrument, and a master computer. It can provide the vehicle’s real-time speed data satisfying given precision requirement as the speed reference, or simulating the output of other speed acquisition instrument. Based on the vehicle-carried test, this system composition is simple, and its power dissipation, size, weight and speed data precision can meet the requirements of SINS vehicle-carried test. It also can simulate speed acquisition function of integrated navigation system without satellite navigation information.

strapdown inertial navigation system, integrated navigation, vehicle-carried test, speed reference system

2014年11月5日,

2014年12月7日

文鋼,男,博士,工程師,研究方向:捷聯慣導系統(tǒng)研發(fā)、水中目標體的回聲特性。李志文,男,工程師,研究方向:捷聯慣導系統(tǒng)研發(fā)。劉波,男,工程師,研究方向:捷聯慣導系統(tǒng)研發(fā)。

U674.7

10.3969/j.issn1672-9730.2015.05.011